高速动平衡试验对机组轴系振动的影响
张莹
[摘 要]某电厂汽轮发电机组通流改造更换的新转子在出厂前进行的高速动平衡试验高标准完成，机组整套启动后轴系振动较好，振动值全部控制在国标规定的优秀范围内，机组启动一次冲转成功，一次并网成功，实现了零次动平衡启动的目标。
[关键词]高速动平衡;轴系振动;影响
[中图分类号]TH117.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–00–02
Influence of the High-Speed Dynamic Balance Test
on the Vibration of the Unit Shaft System
Zhang ying
[Abstract]The new rotor of a steam turbine generator unit was completed with high standard， the whole set of shaft vibration is good， the vibration value is controlled within the excellent range stipulated in the national standard， the unit started a successful rush， and a successful grid connection， realizing the goal of zero dynamic balance start.
[Keywords]high-speed dynamic balance; axis system vibration; impact
某电厂利用对两台俄制800 MW机组节能减排增容优化升级改造机会对汽轮机进行了通流改造并彻底消除汽轮发电机组轴系振动偏高的缺陷。汽轮机改造后一次冲转成功，一次并网成功，机组最高负荷达到900 WM，轴系振动值全部控制在优秀值范围内，成功实现了零次动平衡的目标。
1 转子的分类
根据转子的工作状态和力学特性，从平衡的观点出发，常把转子分成两类：刚性转子和挠性转子。一般来说，凡是工作转速远低于转子的一阶弯曲临界转速的转子视为刚性转子;而把工作转速接近或超过转子的一阶弯曲临界转速的转子视为挠性转子。
通常刚性转子是指刚度相当大，转子在不平衡离心惯性力的作用下所产生的动挠度很小，以致在转子工作和平衡的过程中可以忽略不计。挠性转子由于在运转及平衡时将产生挠曲变形，其情况要复杂得多。
2 挠性转子出厂前高速动平衡
转子在汽轮机厂制造装配完毕后，出厂前一般需要做高速动平衡。转子平衡是一种检查并在必要时调整转子质量分布的工艺过程，其目的是使由不平衡引起的机器振动、转子挠度和轴承动反力低于允许值。
目前国内运行的汽轮机转子多为挠性转子。挠性转子在转动状态下，转子的挠曲变形会产生附加的不平衡，挠性转子平衡与刚性转子平衡有所不同，要采用挠性转子平衡理论进行高速动平衡。
2.1 挠性转子不平衡分布
挠性转子的平衡状态随着转速改变而改变，挠性转子不平衡在转子内分布和刚性转子一样，在转子整个长度内很多平面内存在，而且不平衡分布往往是未知的。
平衡挠性转子的理想方法：在每个微小轴段上对该轴段本身的不平衡量进行校正，使该转子每个轴段的质心都位于旋转轴线上。用这种理想方法平衡的转子，将没有静不平衡和偶不平衡，也没有振型不平衡，是一个完全平衡的转子。
实际上，平衡转子时通常只能在有限个校正平面上加重，因而平衡重量與转子实际不平衡轴向分布差别较大，当转速升高后，各平面上不平衡力和所加平衡重量产生的不平衡力形成内力矩，转子产生挠曲变形，使转子平衡被破坏。
2.2 挠性转子的振型
对于有阻尼的转子的支承系统，挠性转子支承在径向刚度各向同性的轴承上，在工作转速范围内可能会表现出一阶振型、二阶振型和三阶振型。
挠性转子不平衡分布能用振型不平衡量来表示，每个振型的挠度由相应的振型不平衡量引起。挠性转子通常要求在高速下多面平衡，综合采用振型平衡法和影响系数法，通过在校正平面上加一组校正重量，减少某一阶振型的不平衡量，从而使相应振型的挠度减少。
一般来说，平衡一阶不平衡需要3个校正平面，平衡二阶不平衡需要4个校正平面。
2.3 挠性转子平衡的目标
挠性转子在平衡之前，需要确定平衡准则，使平衡工艺有效、经济，并满足现场的实际需要。
由于只能在有限个校正平面上加重，因此挠性转子一般无法做到完全平衡，平衡后总会有剩余不平衡。平衡挠性转子不是剩余不平衡越小越好，而是要根据现场实际需要来确定平衡精度。只要在整个工作转速范围内，转子剩余不平衡小于国家标准
GB/T 9239.1—2006《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《挠性转子机械平衡的方法和准则》规定的允许值即可。
2.4 挠性转子高速动平衡方法
挠性转子在高速平衡机上做高速动平衡，需要选择适当的轴承，使其支承刚度尽量接近现场轴承，以保证转子在高速平衡机上的主要振型和现场相同。
高速平衡机上一般装有速度型振动传感器，建议再加装涡流传感器，在两个轴承同一轴向平面上相隔90º各安装两个涡流传感器，测量转子的相对轴振动。转子平衡前需要在某个低转数下运转一段时间以消除临时弯曲。
挠性转子需要逐次在一系列的平衡转数下按振型原理逐阶进行平衡：①在一阶临界转速以下某一较低转速下进行低速动平衡;②在靠近一阶临界转速的某个安全转速下进行平衡;③在靠近二阶临界转速的某个安全转速下进行平衡;④在3000 r/min下进行高速动平衡。
2.5 挠性转子平衡品质
一般用考核转子剩余不平衡量的方法来评定挠性转子的平衡品质。根据国家标准GB/T 9239.1—2006《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《挠性转子机械平衡的方法和准则》，汽轮机组转子平衡品质要求达到G2.5级，即要求eper·Ω≤2.5 mm/s。
对于受一阶和二阶振型不平衡量明显影响的转子，不论其不平衡分布如何，剩余不平衡量不应超过下述限值，该值用国家标准GB/T 9239—2006中等效刚性转子的剩余不平衡量的百分比表示。
①低速动平衡的剩余不平衡量不应超过100 %;
②等效一阶振型的剩余不平衡量不应超过60 %;
③等效二阶振型的剩余不平衡量不应超过60 %;
④在3 000 r/min工作转速下，剩余不平衡量不应超过100 %。
3 出厂前高速动平衡试验数据
该电厂汽轮发电机组轴系由七段转子组成，即高压转子、中压转子、1号低压转子、2号低压转子、3号低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，五根新制造的汽轮机转子出厂均进行了严格的高速动平衡试验。
出厂高速动平衡试验要求：低压转子工作转速下振速≤1.8 mm/s，临界转速下振速≤2.8 mm/s;高、中压转子工作转速下振速≤2.5 mm/s，临界转速下振速≤2.8 mm/s。该电厂与制作厂技术协议要求：振速≤1.2 mm/s。试验结果全部控制在1.0 mm/s以下。
高、中、低压转子高速动平衡试验结果见表1～表5。
4 转子现场安装中需要关注的一些技术指标
汽轮机转子返回现场安装时，要严格按照试验前制定的《汽轮机检修工艺规程》要求进行，与振动有关的一些技术指标要求达到下列标准：
①转子对轮的自由晃度不大于0.02 mm;
②转子对轮端面瓢偏不大于0.02 mm;
③转子弯曲度不大于0.06 mm;
④转子按联轴器找中心满足《汽轮机检修工艺规程》要求，各轴颈的扬度符合制造厂要求;
⑤转子联结后对轮组合晃度不大于0.03 mm。
5 挠性转子现场高速动平衡
当多个转子相互联结时，整个轴系将有一系列的临界转速和振型。这些临界转速和单个未联结转子的临界转速既不相等也没有简单的关系，而且耦合轴系的挠曲形状也不一定和未联结转子的任一振型有简单的关系。因此，多个耦合转子的不平衡分布应按照整个轴系的振型不平衡量评定。
如果高速动平衡机所用轴承的支承刚度与现场轴承差别较大，那么转子在高速平衡机上的主要振型与现场安装后的主要振型也会有较大差别。
用对轮螺栓联结转子时可能会引入不平衡，另外对轮螺栓緊力是否对称、轴系中心、联轴器径向晃度和端面瓢偏等也会对振动有一定影响。
由于上述诸多原因，尽管转子在汽轮机厂做过高速动平衡，而且平衡品质达到G2.5级要求，当把多个转子在现场联结成轴系后，机组仍有可能出现较大振动，这时就需要在现场做高速动平衡。根据机组轴系的实际振型，判断轴系的不平衡分布，力争以最少的次数使机组振动达到现场要求。
由于转子出厂前动平衡试验严格进行，该电厂汽轮机通流改造轴系振动较好，机组整套启动后，机组轴系振动全部控制在国标要求的优秀范围内，一次冲转成功，一次并网成功，实现了零次动平衡启动，机组最高负荷达900 WM。
6 结束语
该电厂汽轮发电机组轴系轴振振幅最小值为1号轴瓦，振幅为29.95 μm;轴系轴振振幅最大值为13号轴瓦，振幅为90 μm。轴系振动均达到国标优秀区域要求，处于国内先进水平。通过对机组长周期运行情况进行检验，轴系振动在不同的负荷扰动下，振动情况无明显变化，实现了振动治理的目标，提高了机组的可用率和可靠性，保证了机组的长周期安全稳定运行。
参考文献
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